FPGA信号完整性分析
信号完整性背景
信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在 7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个 20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是 IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。在高速 PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近 0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。
信号完整性含义
信号完整性(Signal Integrity)简称 SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达 IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:
（1）延迟。延迟是指信号在 PCB 的导线上以有限的速度传输，从驱动端到接收端存在的传输延时。信号的延时会对系统的时序产生影响，在高速 PCB 设计中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。
（2）反射。当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使得信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
（3）串扰。由于 PCB 板上的任何两个器件或导线之间都存在互感和互容，当一个器件或导线上的信号发生变化时，其变化会通过互感和互容影响其它器件或导线。串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。
（4）同步切换噪声(SSN)。当 PCB 板上的众多数字信号同步进行切换时(如 CPU 的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声。在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。SSN 和地弹的强度取决于集成电路的 IO 特性、PCB 板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在 PCB 板上的布局和布线方式。
（5）电磁干扰（EMI）。分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个网络上的信号耦合到另一个网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个网络。在高速 PCB 及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其它子系统的正常工作。
信号完整性发展方向
随着电子技术发展和集成电路技术的不断进步，数字系统的时钟速率越来越高，信号边缘速率越来越快，PCB 系统已不再像以往设计中仅仅只是支撑电子元器件的平台，而变成了一个高性能的系统结构。信号频率高于 100MHZ 的电子系统设计极为普遍，从电气性能的角度看，在当今的高速世界里，器件封装、印刷电路板(PCB)的线迹互连和板层特性对于信号不再是畅通和透明。如今的高速 PCB设计从单一的信号完整性设计转变为包括信号完整性设计(SI)，电源完整性设计（PI）和电磁兼容设计(EMC)的三者的协同设计。与低速情况下的数字设计相比，高速数字电路设计着重强调了无源电路元件的特性，这些无源元件可能包括那些组成一个数字产品的连线、电路板、IC 封装等。当速度提高时，它们会直接影响电气特性。高速数字电路设计研究无源元件对信号传播的影响(振荡和反射)、信号间的相互作用(串扰)以及和外界的相互作用(电磁干扰)。
四种电抗类型
高速数字电路与低速数字电路元件区别主要体现在四个概念，它们是电容、电感、互容和互感。这四个概念是描述和理解数字电路元件在高速电路中的特性的基础。在高速数字电路中通常使用阶跃响应来研究电容和电感。通过观察阶跃响应并运用以下三个经验法则，可描述出被测设备的特征：
（1）电阻器显示的是一个平坦的阶跃响应，在计时起点，输出电压上升到一个固定值并保持不变；
（2）电容器显示的是一个上升的阶跃响应，在计时起点，阶跃响应从零开始，但随后上升为一个满幅值的输出；
（3）电感器显示的是一个下降的阶跃响应，在计时起点，输出立即升至满幅值，随后逐渐衰减到零。
阻抗是描述互连线的所有重要特性的关键术语，知道了阻抗和传播时延也就知道了它几乎所有的特性。阻抗是解决信号完整性问题所使用方法的核心。
FPGA信号完整性分析相关推荐
- 数据传输完整性_基于IBIS模型的FPGA信号完整性仿真验证方法
人工智能与深度学习等领域的快速发展,使得FPGA等器件应用范围愈加广泛,同时也要求器件的开关速率加快.引脚数量增多.但陡峭的时钟边沿和增加的引脚数使得杂散.耦合.寄生电容电感会对器件产生诸多信号完整性 ...
- 硬件系统工程师宝典（3）-----信号完整性分析是个啥？
各位同学大家好,欢迎继续做客电子工程学习圈,今天我们继续来讲这本书,硬件系统工程师宝典.上篇我们读到硬件电路的概要设计需要考虑的问题,相关的可行性分析可以使开发工作事半功倍. 信号完整性分析概述 今天 ...
- AD(altium designer)15原理图与PCB设计教程（十）——信号完整性分析
目录 信号完整性简介 信号完整性模型 信号完整性分析的环境设定 信号完整性的设计规则 进行信号完整性的分析 信号完整性分析器 串扰分析 反射分析 声明:该文只适用于学习,其内容包含来自书本的摘抄和总结 ...
- 《信号完整性分析》的读书笔记和总结
对于硬件工程师,有一种说法是,硬件工程师可以分为两类,一种是已经遇到了信号完成性问题.一种是将要遇到信号完成性问题. 在进行PCB板的设计时,对于低速芯片和电路,如果芯片时钟在10MHz以下,一般来说 ...
- 数字后端——信号完整性分析
随着光刻和集成电路制造工艺的不断进步,以及芯片的特征尺寸从深亚微米到纳米的迅速采用,人们一方面因为芯片的功能极大提高而受益,另一方面,当逻辑门的沟道长度减小时,门的开关时间会减小,这意味着输出驱动器上 ...
- 信号完整性分析的基础概念
最近在学习用cadence画PCB,第一次画板子,在布局布线过程中遇到好多问题,所以买了一本信号完整性分析的书来学习,因为我平时习惯看书做笔记,也懒得打那么多字,所以就拍了图片给大家分享一下.
- 信号完整性分析与电源完整性分析学习笔记（一）
做项目开始做一些信号频率较高的板子,自学一下信号完整性分析,边学边记录,巩固学习,参考书为Eric Bogatin的<信号完整性与电源完整性分析>第三版和一些网络查阅的资料,会在相关位置附 ...
- 信号完整性分析3——阻抗和电气模型
信号完整性分析3--阻抗和电气模型 常把信号称为变化的电压或变化的电流,在信号完整性总目录中总结出的所有效应都是由模拟信号(那些变化的电压和电流)与 互连线的电气特性之间的相互影响引起的,而与信号相互 ...
- 信号完整性分析6——电感的物理基础
信号完整性分析6--电感的物理基础 在两条信号线间的耦合,电源分布系统以及EMI 中,电感在信号沿均匀传输线传播的过程中产生突变,从而造成信号完整性问题.很多场合都要设法减小电感,例如减小信号路径间的 ...
最新文章
- left join 一对多_MYSQL 连接查询算法：JOIN语句在 MYSQL 内部到底是怎么执行的
- USB接口直接焊线的顺序记录
- 缓存和数据库一致性问题，看这篇就够了
- SQL Server2008创建约束图解 唯一性约束
- 致远互联携手华为云启动开发者大赛，加速企业应用定制向平台生态转型
- java 整数相乘_Java中两个int相乘的结果是怎么算的？
- jsp注册里密码强弱怎么弄_JavaScript注册时密码强度校验代码
- 一种去水印的营业执照识别方法
- 【无标题】简单的培根密码解密
- 如何在linux上运行asp网站,linux上搭建asp网站
- 第五章 数组及排序 ① 笔记
- excel概率密度函数公式_使用Excel绘制F分布概率密度函数图表
- 你还在用截图工具，获取视频中的图片？
- 三维地理信息系统应用的关注要点
- 打开PowerPoint提示：PowerPoint上次起送时失败。以安全模式启动PowperPoint将帮助您纠正或发现启动中的问题
- 天天在捣鼓Docker，你是否真正的把握住了？
- 2019 春季算法工程师实习生招聘历程
- 世界计算机销量排名2015,全球电脑销量排名出炉，苹果位居第四，“榜首”为国产品牌！...
- 如何让word设置连续的页码，解决不同页面页码相同问题
- weixin-java-pay实现APP微信支付与退款